某剛架拱橋加固方法及加固效果分析

吉蕩

（海南省公路管理局三亞公路局,海南 三亞 572000）

某剛架拱橋加固方法及加固效果分析

吉蕩

（海南省公路管理局三亞公路局,海南 三亞 572000）

以某剛架拱橋加固工程為例，提出了針對性加固措施，并通過有限元仿真分析了加固前后結構內力分布情況及動力性能，并驗算了加固后橋梁承載力及撓度，結果表明，通過文中所述的加固整治方法，能夠改善結構內力分布并有效提升結構承載力及整體剛度，加固效果良好。有關經驗可供相關專業人員參考。

橋梁工程；剛架拱橋；加固；內力分布；動力性能

0 引言

剛架拱橋是我國發明的一種新型拱橋，其主結構由拱肋構成主拱，拱上建筑取斜腿剛構的形式，并聯結成整體，構件數量少，結構形式簡潔美觀，施工方便，并適用于多種施工方法，具有顯著的技術經濟效益[1]。上世紀末，我國在物資短缺、交通量不大的國情下，興建了一大批剛架拱橋。但隨著我國經濟的快速發展，公路運輸量不斷增加，橋梁負荷日益加重[2]，修建年代較早的剛架拱橋普遍存在承載力不足的情況。加之剛架拱連接處薄弱、整體性較差的固有特點使得該類橋型在使用過程中不斷出現病害，通常需要通過維修加固來整治橋梁病害、提高橋梁承載力[3,4]。

近年來，我國進行了大量舊橋檢測、加固方面的研究[5,6]，其中主要是針對鋼筋混凝土梁橋及圬工拱橋，對于剛架拱這類橋型研究成果較少[7]，本文將介紹某剛架拱橋加固工程為例，介紹其加固方法并對其加固效果進行分析。

1 工程簡介

某大跨剛架拱橋，上部構造為50 m鋼筋混凝土剛架拱，橋面寬度為15.5 m，橋面布置為7.5 m（機動車道）+2×2.0 m（非機動車道）+2×2.0 m（人行道）。沿橋橫向分布5片拱肋，由26片橫系梁連接為一整體。設計荷載為汽超-20，掛車-100，該橋位于交通干道，連接新、舊城區，交通量大，重載車輛較多。該橋于1987年竣工，至今已投入使用28 a。

本橋上部構造除橋面、翼板、填平層及接頭為現澆混凝土外，其余均為預制混凝土構件。拱腿、斜撐及弦桿均為一段預制，實腹段為兩段預制。在拱頂、實腹段與拱腿、弦桿與拱腿等連接處均采用鋼板接頭，其余采用鋼筋焊接現澆混凝土接頭。拱頂的預拱度為L/800，實腹段范圍內按二次拋物線設置，拱腿范圍內按直線變化。弦桿支座采用250 mm×300 mm×42 mm的平板式橡膠支座，且支座水平放置。

本橋拱片現澆接頭采用35號混凝土，拱片、微彎板、現澆混凝土填平層、現澆翼板拱座、橋頭搭板采用30號混凝土，橋面鋪裝采用30號防水混凝土，欄桿、扶手、防撞護欄基座采用25號混凝土，橋臺側墻、前墻及臺身采用20號混凝土，橋臺基礎采用15號混凝土。調治構造物坡面及坡基采用7.5號漿砌片石。箍筋和小構件的主筋及吊環鋼筋采用Ⅰ級鋼筋（直徑6～25 mm），主要構件的力筋及構造筋采用Ⅱ級鋼筋（直徑不小于12 mm）。該橋立面布置見圖1。

圖1 橋梁立面布置圖(單位：cm)

2 主要病害及加固處治方案

2.1 主要病害

經現場檢查，本橋存在以下病害：

橋面系：橋面鋪裝多處坑洞；局部出現磨光、脫皮、露骨；鋪裝層接縫處多處出現中、深層邊角剝落，局部出現層狀剝落；部分泄水管出現堵塞；伸縮縫裝置破損嚴重，局部凸起。

上部結構：拱片在1/4L～3/4L位置有多處不同程度的豎向裂縫：主裂縫高度延伸至拱片與微彎板結合面處，超過截面的1/2高度，裂縫最寬處達到0.15 mm；拱片間的聯結橫梁接縫處連接狀況較差，接縫處有明顯的松動開裂現象，全橋動力效應明顯。

下部結構：狀況較好，未出現病害。

2.2 加固方案

本著安全、經濟、美觀、施工簡便的原則，治理橋梁病害，防止橋梁技術狀況進一步惡化，并通過加固使橋梁承載力達到公路-Ⅱ級標準。采取的主要措施如下：

更換橋面鋪裝及伸縮縫；增設25道厚15 cm、寬度40 cm的橫系梁，原橫系梁接頭松動開裂處灌注微膨脹水泥砂漿，以增強原橋整體性，減輕車輛沖擊及地震等荷載對橋梁的損傷；采用壓力注漿填充封閉主拱肋L/4～3 L/4區段裂縫，同時在主拱肋L/4～3 L/4段下緣粘貼厚5 mm、寬25 cm的鋼板，以提高拱肋承載力，粘貼鋼板必須采取可靠的錨固措施以保證橋梁受到二次荷載時新舊結構協同變形，共同承擔荷載，本橋粘貼鋼板加固采用高強化學錨栓及膨脹螺栓進行錨固。

3 加固效果評價

3.1 有限元分析

采用Midas/Civil2012有限元軟件，建立空間模型進行內力計算。采用215個節點、294個梁單元模擬上部結構，采用104個板單元模擬微彎板，加固后的截面按照加固方案采用組合截面；拱腿及斜撐與橋臺連接處邊界條件為固定鉸支，與弦桿連接處為剛性連接，弦桿與支座處邊界條件為可移動鉸支，微彎板自重、欄桿自重及二期恒載采用梁單元荷載擬合，微彎板擬合材料采用容重為零、其余參數與C35相同的自定義材料，其余單元材料為C35混凝土。有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型示意圖

3.2 新舊結構對比

3.2.1 結構內力重分布

原橋拱肋跨中區段下緣開裂的主要原因是剛架拱橋橫向聯系較弱，在移動荷載作用下，各拱肋受力不均勻，導致車輛直接作用下的拱肋出現較大正彎矩，截面下緣彎拉應力值超過混凝土抗拉強度，同時，由于剛架拱橋動力效應非常明顯，一旦出現裂縫，極易在活載振動沖擊下迅速擴展。若加固時采取措施增強橫向聯系，提高橋梁整體性，降低橋梁震動，同時讓活載作用分配更加均勻，就能降低單個拱肋跨中區段彎矩值，使結構盡量處于全截面受壓狀態，對橋梁受力大有裨益，能取得較好加固效果。因此，對結構加固前后內力分布情況及動力特性進行分析，以檢驗加固方案有效性。

剛架拱結構最主要的受力構件為弦桿跨中區段及拱腿，提取結構加固前后活載作用下各拱肋的內力，分析跨中區段粘貼鋼板及增設橫系梁等加固處治措施對結構內力分布的影響。為準確體現加固措施對結構影響，計算時加固前后結構所作用活載均根據影響線施加相同荷載，結果見圖3。

以跨中截面為例對上圖進行說明。圖3（a）、（b）中數據，A（25,303.6），B（25,-975.0），C（25,-99.2），D（25,-1178），加固前1#、3#拱肋跨中軸力分別為-975.0 kN、303.6 kN，兩者差值為1 278.6 kN；加固后1#、3#拱肋跨中軸力分別為-1 178 kN、-99.2 kN，兩者差值為1 078.8 kN，上述結果說明加固后3#肋和1#肋承擔的軸力在不斷接近，且加固前3#肋出現了軸向拉力，這對結構受力極為不利，而加固后相同位置軸力由拉力變為壓力，從軸向受力角度來說，加固后結構受力得到了較好改善。圖3（c）、（d）中數據，E（25,300.2），F（25,202.9），G（25,272.3），H（25,216.1），加固前1#、3#拱肋跨中彎矩分別為202.9kN·m、300.2 kN·m，兩者差值為97.3 kN·m；加固后1#、3#拱肋跨中軸力分別為216.1 kN·m、272.3 kN·m，兩者差值為56.2 kN·m，上述結果說明加固后中肋和邊肋承擔的彎矩在不斷接近，且3片拱肋中出現的最大彎矩值相對于加固前減小了9.3%，這對于抗拉強度低的混凝土結構裂縫控制非常有意義。

綜上所述，從內力分布角度而言，加固效果較為明顯，橋梁加固后在荷載作用下各拱片分擔內力趨于均勻，協同受力，減小了單個拱片超載的可能性。

3.2.2 動力特性分析

橋梁結構體積大，構件較多，且常有隱蔽部分，評價加固效果時常采用動靜態相結合的評估方法，動態評價方法是基于結構的動力特性的分析，能夠反映橋梁整體剛度，數據量少，彌補了靜態評價不全面、工作量大的缺陷。常用的動力特性有：頻率、振型、振型曲率等[8]。

本橋加固之后跨中區段剛度及質量發生了變化，且增強了拱片橫向聯系，因而會導致橋梁整體固有頻率的改變，通過有限元軟件計算橋梁加固前后在自振模態下的頻率值，結果見表1。

表1 自振頻率值

通過表1可知，加固后結構在各階模態下自振頻率均較加固前有所提升，表明結構通過粘貼鋼板及增設橫系梁加固之后，整體性及剛度均有所提升。

3.3 加固后橋梁驗算

3.3.1 承載力驗算

極限承載力是加固結構最重要的指標之一。計算橋梁加固后各控制截面在各荷載效應組合下的內力值，并與修正后的結構抗力進行對比，以檢驗結構承載力是否滿足要求。

承載能力極限狀態基本組合：

荷載效應分項系數按規范取值，主要考慮恒載、車輛荷載、人群荷載及溫度荷載。

配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態驗算需引入荷載修正系數、截面折減系數、承載能力修正系數及承載能力惡化系數分別對極限狀態方程中結構抗力效應和荷載效應進行修正，并通過比較判定結構的承載能力情況。計算方法如下：

根據原橋技術狀況，橋梁承載能力檢算系數Z1值為1.1，截面折減系數ξe為0.93，截面折減系數ξc為0.10，荷載修正系數ξq取1.0。

剛架拱片粘貼鋼板后形成組合截面，其承載力計算相對比較復雜，應根據平截面假定，計算結構在二次受力時鋼板的應變值，鋼板的應力等于應變值與鋼板彈性模量的乘積。鋼板應變值按下式確定：

組合截面正截面承載力計算方法如下：

根據有限元軟件空間模型內力計算結果，選取最不利工況下結構內力，驗算1#～5#肋拱腳截面、L/8、L/4及L/2截面進行正截面承載力。驗算結果見表2。

表2 承載力驗算結果

結果表明，按照設計方案加固后，橋梁極限承載力能夠滿足公路-Ⅱ級荷載等級的使用要求。

3.3.2 撓度驗算

拱結構在短期效應組合下，一個橋跨范圍內的正負撓度的絕對值之和的最大值不應大于計算跨徑的1/1000。

根據有限元仿真結果，提取1～5#拱肋L/4和L/2截面在短期效應組合下的豎向撓度值，并與限值進行比較，判斷加固后結構的剛度是否滿足要求，結果見表3。

由表3可知，在短期效應組合情況下，全橋撓度變化幅度均在限值以內，故加固后全橋主拱圈剛度滿足規范要求。

4 結 語

本文以某剛架拱橋加固整治為例，提出了粘貼鋼板及增設橫系梁等針對性加固措施，并對加固前后結構進行了空間仿真，分析加固前后結構內力分布情況及動力性能，結果表明加固后結構整體剛度得到提升，拱肋間內力分布更加合理，加固效果較為理想。此外，本文 驗算了加固后橋梁承載力及撓度，計算值均在規范限值以內。本文所述加固整治措施及結構分析方法，為同類型橋梁加固整治提供了一個有益的范例。

[1]婁有原.剛架拱橋的發展與推廣 [J].公路交通科技,1989(4): 33-38.

[2]莊家智,毛久群.空腹式鋼筋混凝土拱橋拓寬加固新方法[J].公路交通技術,2016(1):90-93.

[3]陳正偉.剛架拱橋實用加固技術研究[D].重慶:重慶交通大學, 2008.

[4]童孟勝,盧彭真,張英志.剛架拱橋的病害分析及防治對策[J].科學技術與工程,2004(8):694-698.

[5]胡釗芳,上官兵.北門剛架拱危橋加固通行特種車輛的技術[J].公路交通科技,2002,19(3):86-89.

[6]郭風琪.在役石拱橋評估與加固關鍵技術研究[D].湖南長沙:中南大學,2012.

[7]胡淼,孫曉龍,張偉.大跨剛架拱橋病害分析及加固研究[J].城市道橋與防洪,2013(8):148-150.

[8]陳悅,周建庭,楊建喜,等.基于動力特性的拱橋加固效果評價[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2010(6):852-854.

U445.7

B

1009-7716（2016）12-0063-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.019

2016-09-20

吉蕩（1974-），男，海南三亞人，工程師，從事路橋養護工作。